Description des roches et des massifs rocheux

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Par :
c352
Description des roches et des massifs
rocheux
Date de publication : 10/11/1995
Jean-Louis DURVILLE
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées, Chef de la Division Mécanique des Sols et Géologie de l'Ingénieur
au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
Hubert HÉRAUD
Ingénieur Géologue, Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d'Études Techniques de l'Équipement,
Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand
Géotechnique Réglementation. Ingénierie. Géotechnique
Construction
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Description des roches
et des massifs rocheux
par Jean-Louis DURVILLE
Ingénieur en Chef des Ponts et Chaussées
Chef de la Division Mécanique des Sols
et Géologie de l’Ingénieur au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
et Hubert HÉRAUD
Ingénieur Géologue
Chef du Groupe Sols-Roches au Centre d’Études Techniques de l’Équipement,
Laboratoire Régional de Clermont-Ferrand
a description précise du massif rocheux – celle des roches qui en constituent
la matrice et celle des discontinuités qui le traversent – est une phase indis-
pensable de l’étude géomécanique d’un site, que le but soit la fondation d’un
barrage, le percement d’un tunnel, le creusement d’un déblai, ou tout autre
ouvrage en milieu rocheux. Cette description se fait sur le terrain et au laboratoire,
à l’aide d’observations et de mesures diverses.
1. Généralités................................................................................................. C 352 - 2
1.1 Classification des roches............................................................................. — 2
1.2 Caractères généraux du massif rocheux ................................................... — 2
2. Description et caractérisation de la matrice rocheuse................. — 2
2.1 Description pétrographique........................................................................ — 2
2.2 Essais d’identification.................................................................................. — 2
2.3 Propriétés mécaniques................................................................................ — 4
2.4 Propriétés diverses...................................................................................... — 5
3. Description et propriétés des discontinuités .................................. — 6
3.1 Description d’une discontinuité.................................................................. — 6
3.2 Étude structurale.......................................................................................... — 7
3.3 Propriétés mécaniques................................................................................ — 7
3.4 L’eau dans le massif .................................................................................... — 7
4. Méthodes de reconnaissance des massifs rocheux....................... — 8
4.1 Levé géologique de détail........................................................................... — 8
4.2 Photo-interprétation .................................................................................... — 9
4.3 Sondages carottés....................................................................................... — 10
4.4 Enregistrement des paramètres de foration ............................................. — 10
4.5 Diagraphie microsismique.......................................................................... — 11
4.6 Diagraphie de radioactivité naturelle......................................................... — 11
4.7 Méthodes géophysiques............................................................................. — 11
4.8 Essais mécaniques in situ........................................................................... — 12
4.9 Essai Lugeon................................................................................................ — 12
5. Conclusions ............................................................................................... — 12
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. C 352
L
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DESCRIPTION DES ROCHES ET DES MASSIFS ROCHEUX _______________________________________________________________________________________
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1. Généralités
Un massif rocheux tel que nous l’observons aujourd’hui résulte
d’une longue histoire géologique, souvent complexe, qui comprend
une phase de formation du matériau (dépôt et consolidation dans le
cas d’une roche sédimentaire, cristallisation dans le cas d’une roche
magmatique, etc.), une ou plusieurs phases de déformations tecto-
niques (avec formation de plis et de failles) et de transformations
métamorphiques (foliation, recristallisation), et enfin une période
d’altération météorique pour les parties proches de la surface.
Deux échelles d’étude sont adoptées : celle de la roche (échantillon
de laboratoire ou affleurement ponctuel) et celle du massif rocheux
qui est aussi celle de l’ouvrage.
1.1 Classification des roches
Une roche est un assemblage de minéraux, c’est-à-dire de cristaux
(sauf quelques rares cas où existe une phase vitreuse). Le mécanicien
des roches insistera sur la présence de défauts dans l’assemblage,
pores ou fissures, qui influent fortement sur les propriétés du
matériau.
Les géologues distinguent trois grandes catégories de roches en
fonction de leur origine :
— les roches magmatiques (ou éruptives) résultent du refroi-
dissement de magmas en fusion ;
— les roches sédimentaires se sont déposées dans les mers ou
les lacs et sont formées par accumulation de particules détritiques
(résultant de la désagrégation des roches par l’érosion) ou biogènes
(formées grâce à l’activité d’organismes) ;
— les roches métamorphiques sont le produit de la transfor-
mation à l’état solide d’une roche préexistante, avec modifications
structurales et en général apparition de nouveaux minéraux, sous
l’influence de la pression et de la température.
La très grande variété des espèces minéralogiques et des roches
a conduit les géologues à diverses classifications, faisant appel à
de nombreux termes pétrographiques [1]. Une classification pétro-
graphique simplifiée est présentée dans le tableau 1.
1.2 Caractères généraux
du massif rocheux
Un massif rocheux est un milieu complexe (figure 1) :
—discontinu : le massif est composé de blocs plus ou moins
monolithiques, séparés par des discontinuités qui constituent des
sites de faiblesse mécanique et des lieux privilégiés de circulation
d’eau ;
—hétérogène : des hétérogénéités existent à différentes
échelles, comme par exemple : alternance de bancs durs et de
bancs tendres, contacts tectoniques anormaux mettant en pré-
sence des formations très différentes, zones de dissolution
karstique ou d’altération locale ;
—anisotrope : l’anisotropie peut apparaître dès la formation de
la roche (disposition stratifiée des roches sédimentaires) ou en
liaison avec le métamorphisme (foliation des gneiss et mica-
schistes), ou lors de la fracturation subie lors d’un épisode tecto-
nique, etc. ;
—biphasique puisque contenant de l’eau au sein des pores de
la matrice rocheuse ou dans les discontinuités ; cette eau peut
modifier notablement les propriétés de la roche comme celles des
discontinuités, donc aussi le comportement du massif rocheux.
(0)
2. Description
et caractérisation
de la matrice rocheuse
La description de la matrice rocheuse fait appel à des identifica-
tions et à des essais de laboratoire, dont les principaux sont décrits
ci-après.
2.1 Description pétrographique
La description pétrographique consiste à déterminer la nature des
différents minéraux, leur abondance relative, leur degré d’altération,
leur taille et leur agencement, ainsi que l’existence éventuelle de
pores. La figure 2 présente un exemple de roche observée en lame
mince au microscope optique.
Le tableau 2 présente les caractéristiques de quelques minéraux
courants.
2.2 Essais d’identification
Il s’agit d’essais simples, rapides, couramment pratiqués, et qui
donnent, alliés à la description pétrographique, une image assez
précise du matériau. Le tableau 3 présente quelques valeurs
typiques de propriétés des roches les plus courantes.
2.2.1 Masse volumique réelle
C’est la masse volumique de la roche sèche, quotient de la
masse de l’échantillon par son volume (enveloppe extérieure,
incluant les pores intérieurs). Elle s’exprime en kg/m3 ou en t/m3.
Il ne faut pas la confondre avec la masse volumique absolue
ρ
a,
qui est la masse volumique de la matière minérale .
(0)
Figure 1 – Front de taille découpé au fil : le massif rocheux,
milieu hétérogène, discontinu et anisotrope
r
ρ
r
ρ
a
()
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(0)
Tableau 1 – Classification pétrographique simplifiée
Famille Teinte Minéraux constitutifs Principaux termes Autres termes
Roches
magmatiques
volcaniques
claire quartz trachyte, rhyolite
↓
feldspaths andésite
amphiboles
pyroxène basalte dolérite
sombre olivine
plutoniques
claire quartz granite microgranite
↓feldspaths diorite microdiorite
amphiboles monzonite
sombre pyroxène gabbro péridotite
Roches
métamorphiques
foliées
claire quartz gneiss, micaschiste leptynite
↓micas
sombre amphibole amphibolite
non foliées marbre, cornéenne
Roches
sédimentaires
détritiques
sombre argiles pélites argilites
↓calcite marnes
claire quartz grès
biogènes et /ou carbonates,
sulfates, etc. calcaires, craie, dolomies, gypse meulière,
chimiques charbon
Tableau 2 – Quelques propriétés des minéraux courants
Minéraux Masse volumique Dureté Vickers Vitesse des ondes
longitudinales Observations
(t/m3)(HV) (m/s)
Silicates
Quartz......................... 2,65 1 250 à 1 400 6 050 inaltérable
Feldspaths.................. 2,55 à 2,75 650 à 800 5 800 à 6 200
Mica blanc.................. 2,8 à 2,9 70 à 85 5 800 très anisotrope
Mica noir .................... 2,8 à 3,3 90 5 100 très anisotrope
Amphiboles................ 3 à 3,4 730 7 200 anisotrope
Olivine ........................ 3,2 à 3,6 820 8 400
Autres Calcite......................... 2,71 110 à 120 6 650 un peu soluble dans l’eau Dolomite..................... 2,85 à 2,9 250 à 400 7 500
Gypse ......................... 2,3 à 2,4 50 à 70 5 200 soluble dans l’eau
Tableau 3 – Quelques valeurs typiques des caractéristiques des roches les plus courantes (roches saines)
Roche
ρ
rnRcLAMDE ABR
(t/m3)(%) (m/s) (MPa)
Granites........... 2,6 à 2,7 1 4 500 à 6 000 170 à 260 15 à 25 6 à 13 900 à 1 500
Microgranites.. 2,6 < 1 4 500 à 6 000 200 à 350 10 à 18 5 à 10 1 500 à 2 000
Basaltes ........... 2,8 à 3,0 0 à 2 5 500 à 7 000 200 à 400 11 à 17 5 à 10 500 à 2 000
Calcaires.......... 2,6 à 2,7 0 à 5 5 600 à 6 500 80 à 260 18 à 40 14 à 40 10 à 50
2,3 à 2,6 5 à 15 4 000 à 5 800 35 à 150 25 à 65 25 à 60 0 à 20
1,8 à 2,3 15 à 35 2 000 à 4 300 8 à 80 30 à 100 40 à 100 0
Grès ................. 2,5 à 2,6 0 à 5 3 000 à 5 500 40 à 250 12 à 25 3 à 30 600 à 2 200
2,2 à 2,5 5 à 20 2 500 à 5 000 20 à 200 25 à 80 20 à 100 100 à 600
Cornéennes..... 2,6 à 2,7 1 5 000 à 6 500 160 à 200 10 à 16 5 à 15 800 à 900
Gneiss.............. 2,6 à 2,7 2 4 000 à 5 500 140 à 250 12 à 28 5 à 14 1 000 à 1 800
Amphibolites .. 2,8 à 3,0 1 5 500 à 6 000 160 à 250 8 à 20 5 à 22 900 à 1 500
v
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2.2.2 Porosité n
C’est le rapport du volume de l’espace poreux, c’est-à-dire des
vides inclus dans la roche, au volume de l’éprouvette (enveloppe
extérieure) :
avec Vvvolume des vides,
Vvolume de l’échantillon.
La porosité s’exprime le plus souvent en pour-cent.
2.2.3 Degré de saturation Sr
C’est le pourcentage de l’espace poreux qui est occupé par l’eau,
dans l’état considéré. En profondeur, à l’état naturel, le degré de
saturation est de 100 %.
2.2.4 Vitesse du son et indice de continuité
La vitesse de propagation des ondes longitudinales est calculée
à partir de la mesure du temps de propagation des ondes à travers
une éprouvette. Cette quantité est sensible à la porosité et surtout
à la microfissuration de la roche : la vitesse du son d’un granite sain
(6 000 m/s environ) chute à moins de 3 000 m/s dans un granite très
altéré. Le calcul de l’indice de continuité IC, rapport de la vitesse
mesurée à la vitesse théorique (moyenne pondérée des vitesses des
minéraux constitutifs), permet ainsi d’appréhender la « qualité » de
la roche [2]. À l’aide de la porosité n, on peut aussi quantifier le degré
de fissuration en calculant l’indice Df (figure 3) :
Df = 100 – 1,5 n – IC
n et IC étant exprimés en pour-cent.
En mesurant la vitesse dans différentes directions, on peut
aussi apprécier l’anisotropie d’une roche. On définit l’indice d’ani-
sotropie par :
qui vaut 1 pour une roche isotrope et atteint environ 2 dans certaines
ardoises.
2.3 Propriétés mécaniques
On se reportera au tableau 3 pour des exemples de résultats
d’essais mécaniques.
2.3.1 Résistance en compression
L’essai mécanique le plus courant est l’essai de résistance en
compression uniaxiale (Rc). Celle-ci est mesurée sur éprouvette
cylindrique, de diamètre 40 à 50 mm en général. On fait croître l’effort
axial fourni par la presse, avec une vitesse correspondant à environ
0,5 MPa/s, jusqu’à la rupture de l’éprouvette. Si F est l’effort maximal
et R le rayon de l’éprouvette, on a :
La résistance en compression simple est une propriété assez
dispersée ; on réalise en général cinq écrasements pour obtenir une
valeur représentative. Le tableau 4 fournit une échelle de résistance
couramment employée. (0)
Certaines roches, comme les calcaires tendres, sont sensiblement
moins résistantes à l’état saturé qu’à l’état sec : la perte de résistance
peut atteindre 50 %.
Figure 2 – Photographie de lame mince de basalte au microscope
polarisant. On observe les grands cristaux d’olivine (le plus grand fait environ
1 mm de longueur), les nombreuses paillettes de feldspath et une pâte sombre
amorphe
nVv
V
-------1
ρ
r
ρ
a
------
–==
vIC
v
v
IA
vmax
vmin
---------------=
Figure 3 – Indice de continuité et degré de fissuration
Tableau 4 – Classes de résistance
en compression uniaxiale (d’après [3])
Classe Résistance Rc
(MPa)
Description
R1 > 200 Résistance très élevée
R2 200 à 60 Résistance élevée
R3 60 à 20 Résistance moyenne
R4 20 à 6 Résistance faible
R5 < 6 Résistance très faible
RcF
πR2
-----------=
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